变压器的保护.doc

变压器的保护本课程总体思路：一变压器的故障、不正常状态及其保护方式（一）变压器的故障（二）变压器的不正常工作状态（三）变压器应装设的保护1、主保护2、外部相间短路的后备保护3、外部接地短路的后备保护4、其他的保护5、其他非电量保护二.瓦斯保护1、瓦斯保护基本原理2.瓦斯保护的评价三 变压器差动保护的基本原理及其不平衡电流1.由励磁涌流所产生的不平衡电流(1)励磁涌流的产生（2）励磁涌流特征，（3）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施：2、三相变压器接线产生的不平衡电流3.电流互感器计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流4.由电流互感器变比误差及互感器型号、特性不同产生的不平衡电流5.变压器带负荷调节分接头位置改变所产生的不平衡电流。四、比率制动特性的变压器差动保护五变压器相间短路的后备保护1、 过电流2、 低电压启动的过电流保护3、 复合电压启动的过电流保护4、 负序电流保护+单相式电压保护5、 阻抗保护 六变压器的接地保护（一）中性点直接接地变压器的零序电流保护（二）中性点可能接地或不接地运行时变压器的零序电流电压保护变压器在我们电力系统中应用的量很大的设备也是很重要的设备，对变压器的不正常状况和故障状态配置了不同的保护，这部分培训内容主要介绍变压器常用的保护原理及各保护的特点。一、 变压器的故障、不正常状态及其保护方式 变压器的故障根据变压器的结构分为油箱内部和外部故障（一）变压器的故障油箱内部的故障主要有两点（1） 各相绕组间的相间短路（2） 单相绕组的单相接地油箱外部的故障（1） 引出线的相间短路（2） 引出线通过外壳发生的单相接地短路、变压器有的中性点是接地的，在接地的这一侧外部会发生单相接地短路、绝缘套管闪络或破坏。（二）变压器的不正常工作状态主要有以下几个方面，（1） 大容量变压器的过励磁，大容量变压器为了充分利用变压器的铁芯材料，正常的工作点接近于饱和磁通附近，一旦电压升高或者电网频率降低，这时铁芯励磁电流就会急剧增大，容易引起过励磁，引起变压器的发热（2） 外部相间短路引起的过电流（3） 外部接地短路引起的过电流和中性点的过电压（4） 过负荷（5） 漏油等原因引起的油面降低，绕组温度升高以上讲的是变压器的故障及可能出现的不正常工作状态，根据这些状态，以下讲变压器应该装设什么样的保护（三）变压器应装设的保护1、主保护根据变压器的特点，因为变压器绕组放在变压器油里面，若变压器内部故障，短路产生电弧就会产生大量的气体，根据气体的流速，就产生了一个保护-瓦斯保护，瓦斯保护是一个非电量的保护，分为重瓦斯和轻瓦斯保护，（1）重瓦斯保护重瓦斯保护可以启动继电器动作断路器，能反应油箱内各种故障，所以重瓦斯作为油箱内部故障一个主保护（2）纵联差动保护差动保护的范围可以包括油箱内部绕组的相间短路、匝间短路，外部引线的短路，所以差动保护可以作为主保护（3） 电流速断保护变压器在容量较小、电压等级比较低的变压器可采用变压器的主保护就这三种类型2、外部相间短路的后备保护根据变压器的容量、电压等级和重要程度来选择后背保护（1）过电流保护最基本的也是最简单的保护，只反应电流，因为灵敏度低，所以一般用于容量较小，电压较低的变压器，电流整定要躲开最大负荷电流（2）低电压启动的过电流保护增加了一个低电压条件，可以把电流原件的值降低，所以比过电流保护灵敏，如果过电流保护不能满足要求，我们可以采用这个（3）复合电压启动的过电流保护对于不对称短路是反应负序电压、对于对称短路是反应低电压，再加上过电流这个条件，就形成了复合电压启动的过电流保护，这个对于不对称短路的灵敏度就大大提高（4） 负序电流及单相式低电压起动的过电流保护负序电流只能反应不对称故障，为了反应对称故障，需要加上单相式低电压起动的过电流保护，和（3）不同的是此保护只要有一相故障就可以动作（5）阻抗保护采用阻抗继电器形成阻抗保护3、外部接地短路的后备保护（1）零序电流保护发生接地故障会产生零序电流，所以零序电流可以反应接地故障（2）零序电流方向保护对于多电源变压器，比如说三绕组变压器两边有电源，就要加方向元件，方向是为了保证有选择性，另外自耦变压器零序电流相互流动，所以也要加方向原件（3） 零序过电压保护接地时，出现零序电压，构成零序电压保护（4） 间隙电流保护和零序电压保护变压器中性点是经间隙接地的，正常状态下，间隙是断开的，相当于中性点不接地变压器，当发生接地故障，产生过电压，若间隙发生击穿，变压器就变成中性点接地，间隙一击穿，就会有零序电流，我们可以采用间隙电流保护和零序电压保护，击穿时有间隙电流，不击穿时有零序电压，两者结合起来构成接地短路的后备保护4、其他的保护（1）过负荷保护反应变压器过负荷情况，只发信号（2）大容量变压器要装过励磁保护5、其他非电量保护轻瓦斯保护、油温高保护、冷却器故障、压力释放保护等二.瓦斯保护1、瓦斯保护基本原理：在变压器油箱内部发生故障(包括轻微的匝间短路和绝缘破坏引起的经电弧电阻的接地短路)时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部。当严重故障时，油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。利用油箱内部故障的上述特点，可以构成反应于上述气体而动作的保护装置。2.瓦斯保护的评价: 瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单，但不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一的主保护，须与差动保护配合共同作为变压器的主保护 。三变压器差动保护的基本原理及其不平衡电流差动保护作为变压器电量保护的主保护，是非常重要的一个保护变压器变压器纵差动保护的基本原理首先讲基尔霍夫电流定律：定律为：所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和。当发生外部故障时I2=I2-I1/nta1=I1/ nta2- I1/ I1= nta2/ nta1= nT差动保护原理里面讲的是在理想状况下，但差动保护里面有个重要的问题，就是不平衡电流，现在分析不平衡电流以及如何减小不平衡电流对差动保护的影响。1.由励磁涌流所产生的不平衡电流正常情况下，励磁电流为额度电流的2%-5%，变压器原副边绕组绕在铁芯上是通过磁耦合磁通的关系在二次侧产生感应电势，磁通的建立是靠励磁电流建立，而励磁电流只在电源侧有，因此，励磁电流就是一个不平衡电流，但在正常运行情况下，变压器的励磁电流很小，为额度电流的2%-5%，我们可以忽略不计，但我们要注意到另外两种情况下，励磁电流有很大，一个就是变压器空载投入时，负载绕组是开路的，从原边合闸，这种情况叫空载投入变压器或者叫给变压器存电，这个时候由于变压器铁芯的非线性，就会产生很大的励磁电流，就叫励磁涌流，它会在差动继电器里面产生很大的不平衡电流。第二种情况就是变压器发生外部故障，外部故障一切除，电压就要重新恢复，相当于给变压器合闸。比方说三相短路，电压就会很低，甚至降到0，继电保护动作就故障切除，电压就会恢复至额度电压，在外部故障恢复时会产生励磁涌流。 下面分析励磁涌流如何产生，有什么特征，从而提出如何防止由于励磁涌流产生的不平衡电流造成保护误动的措施。(1)励磁涌流的产生 首先拿单相变压器说明励磁涌流是如何产生的当开关合闸时原边就会产生电流，这就叫励磁电流，这个电流会很大，就是励磁涌流，这个电流反应到差动保护里就是个很大的不平衡电流。因为数学推倒公式过于复杂，我们不选择从数学的角度推算，我们从能量转换的角度来解释，这样更通俗易懂。变压器就是一个由电能转化为磁能，再由磁能转换为电能的电力设备。未合闸时，铁芯内磁能为0或者剩磁。合闸后当达到稳定状态时，电能绝大部分转化为磁能，只有很小一部分电能流经导线，所以电流也就很小，这个就是励磁电流，励磁电流一般只有额度电流的2%-5%。但是在合闸瞬间到达到稳定状态的这段时间内，因为能量是不能突变的，电能只有很小一部分转化为磁能，大部分电能不得不流经导线，因为导线的电阻很小，所以这段时间内将产生很大的电流，这就是励磁涌流。励磁涌流一般要达到额度电流的6-8倍。我们的电动机也是这样的，为什么启动电流会很大，也可以用能量转换的角度去分析。（2）励磁涌流特征，励磁涌流实验1实验2实验3实验4基波100100100100二次谐波36315023三次谐波77910四次谐波9662经过试验数据得知：励磁涌流内含有大量的高次谐波，其中以二次谐波为主。 从励磁涌流的波形图可以看出励磁涌流的波形出现间断角。（3）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施： a.采用带有速饱和变流器的差动继电器构成差动保护； b.利用二次谐波制动原理构成的差动保护； c.利用间断角原理构成的变压器差动保护； d.采用波形对称原理构成的变压器差动保护。2、三相变压器接线产生的不平衡电流 电力系统中变压器常采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位差为30，如下图所示， Y侧电流滞后侧电流30，若两侧的电流互感器采用相同的接线方式，则两侧对应相的二次电流也相差30左右，从而产生很大的不平衡电流。 减小变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流采用相位补偿a.变压器为Y，d11接线其相位补偿的方法是将变压器星形侧的电流互感器接成三角形，将变压器三角形侧的电流互感器接成星形 .b. 数值补偿 变压器星形侧电流互感器变比 变压器三角形侧电流互感器变比目前，在微机保护里面，通过电流校正元件，对各电流相位、大小进行补偿，所以不用在电流互感器的实际接线中进行星三角互换，现在的电流互感器都接成Y形。我站也是在用这种方式（参见WBH-92A-01第三页3.1.1a）。3.电流互感器计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流例如我站变压器三侧的额度电流为239A、750A、1375A.电流互感器二次侧额度电流为5A或者1A。互感器的计算变比应该为239/5,750/5,1375/5或者/1。但是因为互感器都是批量生产，没有239/5,750/5,1375/5的电流互感器，也不可能定做，所以我们只能选择即是标准的也是尽量接近变压器额度电流的电流互感器，我站三侧选择300/5,1000/5，2000/5。这样就造成了标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。减小电流互感器由于计算变比与标准变比不同而引起的不平衡电流采用数值补偿，办法由以下几种 采用自耦变流器。 利用BCH型差动继电器中的平衡线圈。 在变压器微机保护的软件中采用补偿系数使差动回路的不平衡电流为最小。 我站采用第种办法，（参见WBH-92A-01第4页3.1.1b）。4.由电流互感器变比误差及互感器型号、特性不同产生的不平衡电流 由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。在差动保护的整定计算中需加以考虑。5.变压器带负荷调节分接头位置改变所产生的不平衡电流。 改变分接头的位置，就是在改变变压器的变比，变压器的变比一改变，我们之前选择的电流互感器的变比就不满足我们要求的关系了，所以会产生不平衡电流。我们又不能在调节分接头位置前改变微机保护里面电流补偿的定值。所以在变压器差动保护的整定计算就得做出相应的考虑，即整定时加大一点差动动作的整定值。减小不平衡电流的其他措施（1）选用变压器差动保护专用的电流互感器； （2）减小电流互感器的二次负荷 这实际上相当于减小二次侧的端电压，相应地减少电流互感器的励磁电流。减小二次负荷的常用办法有：减小控制电缆的电阻(适当增大导线截面，尽量缩短控制电缆长度)；采用弱电控制用的电流互感器(二次额定电流为lA)等。（3）采用带小气隙的电流互感器 这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。因而励磁电流较小，有利于减小不平衡电流。同时也改善了电流互感器的暂态特性。四、比率制动特性的变压器差动保护由于各不平衡电流是不固定的（为什么是不固定的，比方说电流互感器的不平衡电流误差为2%，在电流为100A时，不平衡电流为2A,但电流在1000A时，不平衡电流就是20A,基数越大，引起的误差就越大），是随着变压器一次电流的大小变化而变化的，曲线如下：动作区最大短路电流所产生的不平衡电流为了保证差动保护不误动，差动电流的整定值必须躲过外部最大短路电流对应下的不平衡电流（为什么要必须躲过外部最大短路电流对应下的不平衡电流呢？因为差动保护是区内故障时可靠动作，外部短路属于区外故障，应该由区外故障的相应保护来动作，为了保证选择性，差动保护不应误动）。躲过外部最大短路电流对应下的不平衡电流，虽然保证了差动保护的选择性，但是却损失了灵敏性，因为在上述曲线的区域一范围内，差动电流已经大于不平衡电流，已经可以判定不是区外故障，是区内故障，差动保护理应动作，但是因差动电流没有达到整定的动作电流，所以保护拒动，这样就失去了灵敏性。由此引出了具有比率制动特性的差动保护。（一） 比率制动特性动作区这个就是具有比率制动特性的差动保护的原理，我站主变微机保护也是采用这样原理（参见WBH-92A-01第5页3.4.4）严重内部故障，靠差动速断，差动速断整定值一般很大，为额定电流的3-12倍。任一相达到差动速断，经过两个或门，直接跳闸。由于变压器过励磁时有很大的五次谐波，所以在大型变压器微机保护装置里利用检测五次谐波来防止变压器过励磁引起的差动保护误动。在正常运行下，差回路的电流一般是很小的，在常规保护里面利用平衡线圈等来进行补偿，因为整定计算时计算出线圈有可能带小数，但线圈的匝数只能是整数，所以这个很小的差回路电流就是这样产生的，但是在微机保护里面，因为没有物理的继电器和线圈，进入保护装置的各电流，通过软件进行计算，对各个二次电流进行了电流补偿，可以使得正常运行下，差回路电流基本可以接近0。 一旦发现差电流比较大，超过了规定的值了，差动越限就要告警，说明差动回路有问题了。五 变压器相间短路的后备保护前面讲到的变压器故障及不正常运行方式，以及应该配备的保护时介绍了主保护、相间短路的后备保护、以及单相接地的后备保护。现在讲变压器相间短路的后备保护 相间短路的后备保护有以下五种形式6、 过电流7、 低电压启动的过电流保护8、 复合电压启动的过电流保护9、 负序电流保护+单相式电压保护10、 阻抗保护 下面一一做介绍1、 过流保护变压器过电流保护的单相原理接线如下图所示保护的起动电流按躲过变压器的最大负荷电流整定 过电流保护是最简单的电流保护，反应变压器外部故障，电流增大，带延时电流保护。2 低电压启动的过电流保护 过电流保护整定值一般都比较大，如果发生短路故障，灵敏度偏低，为了提高后备保护灵敏度，就增加了低电压这个条件，构成了低电压启动的过电流保护。 低电压启动的过电流保护工作原理，保护的启动元件包括电流继电器和低电压继电器，只要当电流元件和电压元件同时动作后，才能起动时间继电器经预定时间后，起动出口中间继电器动作与跳闸。 2、低电压启动的过电流保护原理接线如下图所示。低电压启动元件动作值一般取额定电压的70%。反应到二次侧也就是70V左右。3 复合电压启动的过电流保护 低电压过流保护加了低电压元件，可以使电流整定值降低，提高灵敏度，但是为了保证变压器两侧故障都能可靠动作，需要取变压器两侧的电压， 上述原理图中只是单相原理接线，但在实际中是三相的，每一相都需要两个低电压继电器，就需要有六个低电压继电器，造成接线复杂，所以提出了复合电压启动的过电流保护。3.1原理接线如下图所示。3.2、保护由三部分组成：电流元件、电压元件（含负序电压继电器KV1和低电压继电器KV2）、时间元件。 3.3、装置动作情况如下： （1）当发生不对称短路时，就会产生负序电压，负序电压是不受变压器星三角接线组别影响的，只要负序电压足够大，就能启动负序电压继电器，负序电压继电器动作，其动合触点闭合，起动中间继电器KM，KM常开触点闭合。故障相电流继电器动作，相电流继电器通过KM常开触点起动时间继电器KT，经整定延时起动信号和出口继电器，将变压器两侧断路器断开。 负序滤波器整定值可以很低，所以在发生不对称短路时负序电压继电器的灵敏度是很高的，改善了电压元件的灵敏度，同时也简化了接线。 （2）当发生对称短路时，故障点电压很低，利用kV2低电压继电器，动作原理就跟低电压过流保护是相同的。复合电压启动的过流保护在对称短路和不对称短路时都有较高的灵敏度。 （3）复合电压启动的过电流保护的优点：a.由于负序电压继电器的整定值较小，因此对于不对称短路，其灵敏系数较高。负序电压继电器的动作值通常取0.06-0.12倍的额定值，也就是6-12V.所以灵敏度很好。b.由于保护反应负序电压，因此对于变压器后的不对称短路，与变压器的接线方式无关，减少了低电压继电器的数量，使接线简单。 4.负序过电流保护 4.1、变压器负序过电流保护的原理接线图 4.2、保护装置组成 由电流继电器和负序电流滤过器Z以及一套低电压启动的过电流保护组成。负序电流只有在不对称故障时才有，为了反应对称故障，又加了低电压过流保护。一般情况下，在中小型变压器的后备保护采用过电流保护或者低电压过流保护，在较大型的变压器后备保护以复合电压过流保护为主。负序电流保护相对比较复杂，所以，用的比较少。5.变压器的阻抗保护阻抗保护用于330-500kV大型变压器上作为变压器引线/母线及相邻线路的后备保护。若采用前面所讲的后备保护灵敏